(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
不純物を含む半導体を半導体表層から内層にかけて活性化する際に、前記表層が溶融しないエネルギー密度でレーザ光の照射位置を変えてオーバーラップしつつ照射して該表層側を活性化するとともに、該表層側を結晶化し、その後、前記表層が溶融しない、前記表層側の活性化におけるエネルギー密度より高いエネルギー密度でレーザ光の照射位置を変えてオーバーラップしつつ照射して、結晶化された前記表層側を透過したレーザ光によって前記内層側を活性化することを特徴とする半導体製造方法。
【請求項２】
不純物を含む半導体を半導体表層から内層にかけて活性化する際に、前記表層が溶融しないエネルギー密度でレーザ光を照射して該表層側を活性化し、その後、前記表層が溶融しない、前記表層側の活性化におけるエネルギー密度より高いエネルギー密度でレーザ光を照射して前記内層側を活性化する製造方法であって、
前記レーザ光の照射を２回以上行うとともに、３回目以降のレーザ光照射では、前記表層が溶融しないように、直前のレーザ光照射のエネルギー密度と同等またはより高くすることを特徴とする半導体製造方法。
【請求項３】
不純物を含む半導体を半導体表層から内層にかけて活性化する際に、前記表層が溶融しないエネルギー密度でレーザ光を照射して該表層側を活性化し、その後、前記表層が溶融しない、前記表層側の活性化におけるエネルギー密度より高いエネルギー密度でレーザ光を照射して前記内層側を活性化する製造方法であって、
前記表層側を活性化する前記レーザ光と、前記内層側を活性化する前記レーザ光とが、同一のレーザ照射装置から出力された同一パルス幅、同一波長のレーザ光であることを特徴とする半導体製造方法。
【請求項４】
前記表層側を活性化する際、該表層側を活性化するとともに、該表層側を結晶化し、その後、前記内層側を活性化する際、結晶化された前記表層側を透過したレーザ光によって前記内層側の活性化を行うことを特徴とする請求項２または３に記載の半導体製造方法。
【請求項５】
前記半導体は、前記不純物が異なる層が表層から内層にかけて深さ方向に連続して存在することを特徴とする請求項１〜４のいずれかに記載の半導体製造方法。
【請求項６】
前記レーザ光は、前記表層側および前記内層側を活性化する際に、それぞれ前記半導体表層が溶融する温度直下の温度にまで昇温するエネルギー密度で照射されることを特徴とする請求項１〜５のいずれかに記載の半導体製造方法。
【請求項７】
前記レーザ光のパルス幅を、それぞれ１０００ｎ秒以上とすることを特徴とする請求項１〜６のいずれかに記載の半導体製造方法。
【請求項８】
前記レーザ光の波長が、それぞれ４００ｎｍ〜１０００ｎｍであることを特徴とする請求項１〜７のいずれかに記載の半導体製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、不純物が導入された半導体を活性化する半導体製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
半導体の製造に際し、半導体不純物をイオン注入などによって導入すると、半導体がアモルファス化したり、欠陥が生成されたりするため、これを活性化して結晶を回復するなどの必要がある。この活性化の方法として半導体にレーザ光を照射して半導体を短時間加熱する方法が知られている。
また、半導体では、表層側からある深さにまでｐ型領域が存在し、その内層にｎ型領域が連続して存在するものでは、異なる深さに存在する異なる不純物の活性化が求められる。しかし、レーザ光での照射では、活性化が可能な深さが限られるため、適用が難しいという問題があった。
【０００３】
これに対し、それぞれの層の活性化に適したレーザ光及びエネルギー密度・パルス幅を検討し、活性化が必要となる層ごとにレーザ光照射を行って、それぞれの領域を効果的に活性化する方法が提案されている（特許文献１参照）。
この他に、複数のレーザ光源を用いて、パルス幅の短いレーザ光で半導体表面を溶融させ、パルス幅の長いレーザ光で半導体の内側を加熱して活性化深さを深くする方法が提案されている（特許文献２参照）。
【特許文献１】特開２００４−３９９８４号公報
【特許文献２】特開２００８−４１８６８号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかし、前者の方法では、半導体基板内の異なる深さに存在する不純物を活性化するために、レーザ光照射条件の検討や、最適なレーザ光を選択しているので、使用するレーザ光発振器は複数が必須となる。まず、表層に存在する不純物の活性化のために、パルス幅は１０ｎｓ以上１００ｎｓ以下と比較的短く設定し、高いエネルギー密度にて照射を行っている。その後、深い層の活性化のための照射を行っている。このとき、パルス幅を１２０ｎｓ以上とし、エネルギー密度は低いエネルギー密度にて照射を行っている。しかし、パルス幅を１０ｎｓ〜１００ｎｓ程度とし、高いエネルギー密度のレーザ光にて照射を行うと、シリコン基板の表層が融点に達しやすく、溶融する。その結果、半導体表面に凹凸が形成され、素子としたときにリーク電流が急増するようになる。また、深い層の活性化ではパルス幅を長くし、エネルギー密度を低くしているが、パルス幅を長くした場合、同じエネルギー密度でもピーク強度は低くなるため、例えば深さ０．５μｍでの最大温度を比較するとパルス幅が長いほうが低くなり、活性化できる不純物は少なくなる。以上の点から、活性化できる深さ、濃度共に限られるという問題がある。
【０００５】
後者の方法では、半導体基板の表層に存在する不純物の活性化における活性化深さを深めることを目的としており、複数のパルスレーザビームを用い、表面の溶融状態を長く維持することによって活性化深さを深めることを試みている。しかし、表面を溶融させると、上記のように半導体表面に凹凸が形成される。表層の凹凸は、リーク電流の発生や活性化深さの面内ばらつきの原因となる。
【０００６】
レーザ光照射による半導体基板内に存在する不純物の活性化は以前から試みられているが、上記のように、深い領域の活性化や、表面粗さの抑制、レーザ光照射による欠陥の発生の抑制などの課題がある。
深い領域を活性化するために、レーザ光のエネルギー密度を高めた照射は有効であるが、表面温度が融点を超えるエネルギー密度まで高くすると、冷却時に表面に凹凸が形成されるようになる。この凹凸の平均粗さが１μｍを超えるとリーク電流が急増するという報告がされている。また、表面の凹凸が大きければ、深さ方向での特性のばらつきにつながるため、表面粗れを抑制しつつ、深い領域の活性化が求められる。
【０００７】
この発明は、上記事情を背景としてなされたものであり、半導体表面の平坦性を維持しつつ、レーザ光照射によって深い領域にまで良好に活性化を行うことができる半導体製造方法を提供することを目的としている。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
すなわち、本発明の半導体製造方法のうち、第１の本発明は、不純物を含む半導体を半導体表層から内層にかけて活性化する際に、前記表層が溶融しないエネルギー密度でレーザ光の照射位置を変えてオーバーラップしつつ照射して該表層側を活性化するとともに、該表層側を結晶化し、その後、前記表層が溶融しない、前記表層側の活性化におけるエネルギー密度より高いエネルギー密度でレーザ光の照射位置を変えてオーバーラップしつつ照射して、結晶化された前記表層側を透過したレーザ光によって前記内層側を活性化することを特徴とする。
【０００９】
第２の本発明の半導体製造方法は、不純物を含む半導体を半導体表層から内層にかけて活性化する際に、前記表層が溶融しないエネルギー密度でレーザ光を照射して該表層側を活性化し、その後、前記表層が溶融しない、前記表層側の活性化におけるエネルギー密度より高いエネルギー密度でレーザ光を照射して前記内層側を活性化する製造方法であって、
前記レーザ光の照射を２回以上行うとともに、３回目以降のレーザ光照射では、前記表層が溶融しないように、直前のレーザ光照射のエネルギー密度と同等またはより高くすることを特徴とする。
【００１０】
第３の本発明の半導体製造方法は、不純物を含む半導体を半導体表層から内層にかけて活性化する際に、前記表層が溶融しないエネルギー密度でレーザ光を照射して該表層側を活性化し、その後、前記表層が溶融しない、前記表層側の活性化におけるエネルギー密度より高いエネルギー密度でレーザ光を照射して前記内層側を活性化する製造方法であって、
前記表層側を活性化する前記レーザ光と、前記内層側を活性化する前記レーザ光とが、同一のレーザ照射装置から出力された同一パルス幅、同一波長のレーザ光であることを特徴とする。
【００１１】
第４の本発明の半導体製造方法は、前記第２または第３の本発明において、前記表層側を活性化する際、該表層側を活性化するとともに、該表層側を結晶化し、その後、前記内層側を活性化する際、結晶化された前記表層側を透過したレーザ光によって前記内層側の活性化を行うことを特徴とする。
【００１２】
第５の本発明の半導体製造方法は、前記第１〜第４の本発明のいずれかにおいて、前記半導体は、前記不純物が異なる層が表層から内層にかけて深さ方向に連続して存在することを特徴とする。
【００１３】
第６の本発明の半導体製造方法は、前記第１〜第５の本発明のいずれかにおいて、前記レーザ光は、前記表層側および前記内層側を活性化する際に、それぞれ前記半導体表層が溶融する温度直下の温度にまで昇温するエネルギー密度で照射されることを特徴とする。
【００１４】
第７の本発明の半導体製造方法は、前記第１〜第６の本発明のいずれかにおいて、前記レーザ光のパルス幅を、それぞれ１０００ｎ秒以上とすることを特徴とする。
【００１５】
第８の本発明の半導体製造方法は、前記第１〜第７の本発明のいずれかにおいて、前記レーザ光の波長が、それぞれ４００ｎｍ〜１０００ｎｍであることを特徴とする。
【００１６】
本発明によれば、表層が溶融しないエネルギー密度で例えば１回目のレーザ光を照射することで、表層側が活性化され、これに伴い、半導体不純物の導入によってアモルファス化している半導体の表層側が良質に結晶化される。結晶構造となることにより融点が上がり、その後、より高いエネルギー密度で例えば２回目のレーザ光を照射することができる。より高いエネルギー密度で、表層が溶融しないエネルギー密度のレーザ光を照射することで、より深い領域へ光が届くようになり、また、結晶化した表層での吸収率が低下することで、より深い領域に、より高い熱的な効果を与え、内層側を効果的に活性化させることができる。また、この際に、表面で溶融による凹凸発生もなく、リーク電流の増加を招くこともない。なお、エネルギー密度は、レーザ光の照射によって半導体表層が溶融しないぎりぎりの温度（溶融温度直下）に加熱されるように設定するのが望ましい。レーザ光の照射は３回以上で行うことも可能である。３回目以降は、直前のレーザ光照射と同一のエネルギー密度で照射を行っても良く、また、より高いエネルギー密度で照射を行っても良い。３回目以降のレーザ光照射でも直前よりもエネルギー密度を高くしても良く、また、直前に十分にエネルギー密度を高くしている場合には、同一のエネルギー密度でレーザ光照射を行っても良い。この場合にも、上層が結晶化されることでレーザ光の透過率が高くなっており、より深い内層の活性化が可能になる。
【００１７】
レーザ光を用いた従来の活性化方法では、半導体へレーザ光を照射する際に、急速加熱・急速冷却に起因する欠陥が発生することがあり、欠陥が形成されると、不純物がキャリアとしての役割を果たすことができない。同じエネルギー密度でも、図１に示すように、パルス幅が狭いとレーザの尖頭値が高くなるので、より表層が融点に達しやすく、溶融しやすくなる。  また、深い領域の活性化のためにエネルギー密度の高いレーザ光を照射した場合、従来法では表面が溶融し、凹凸が形成してしまうことがある。特に、コレクタ層の表面のＲａ（表面粗さ）が１μｍ以上となるとリーク電流が急増する。
表層を溶融させにくくする対策として、パルス幅の広いレーザの活性化への活用は有効といえる。同じエネルギー密度でも、パルス幅を広げることにより、レーザの尖頭値が下がるので、図２に示すように、パルス幅が短いレーザ光に比べ、急加熱・急冷却が緩和されて、表面が溶融しにくくなる。このパルス幅としては１０００ｎ秒以上が望ましい。これよりも短くなると、レーザ光の照射によって表層が融点に達しやすくなる。
【００１８】
また、使用するレーザ光の波長が４００ｎｍ未満であると、図３に示すようにアモルファスシリコン、結晶シリコンともに吸収係数が高くなり、アモルファス状態にある表面で優先的にレーザ光が吸収され、深い領域まで光が届きにくい。さらに、結晶化が進むと一層吸収係数が高くなり、内層の活性化が難しくなる、また、１０００ｎｍ超では、アモルファス・結晶共に吸収係数がほぼ０となり、光が吸収されずに透過するために効果的な活性化は難しい。４００〜１０００ｎｍの波長範囲では、アモルファスシリコンは適度な吸収係数を有し、レーザ光の照射によって良好に加熱される。一方、結晶シリコンの吸収係数は、遙かに小さいため、結晶化が進んだ後に、より高いエネルギー密度でレーザ光を照射すると、表層側を透過して、より深い領域までレーザ光が届くようになり、熱的効果が高まってアモルファス状態にある内層側が効率よく吸収されて内層の活性化が容易になる。
【発明の効果】
【００１９】
以上説明したように、本発明の半導体製造方法によれば、不純物を含む半導体を半導体表層から内層にかけて活性化する際に、前記表層が溶融しないエネルギー密度でレーザ光の照射位置を変えてオーバーラップしつつ照射して該表層側を活性化するとともに、該表層側を結晶化し、その後、前記表層が溶融しない、前記表層側の活性化におけるエネルギー密度より高いエネルギー密度でレーザ光の照射位置を変えてオーバーラップしつつ照射して、結晶化された前記表層側を透過したレーザ光によって前記内層側を活性化するので、表層の溶融、表面での凹凸形成を招くことなく、より深い内層まで効果的に活性化することができる。また、エネルギー密度の変更のみにより表層側と、内層側とを活性化できるので、一つのレーザ照射装置によって処理を行うことが可能になる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２０】
ＩＧＢＴ（絶縁ゲートバイポーラトランジスタ）などのパワーデバイスでは、半導体の片方の表層にｐ層、ｐ層より深い領域にｎ層が存在し、両方の層の十分な活性化が必要となる。
図４（ａ）は、本発明で作成することができるＩＧＢＴの断面構造の一例である。
ｎ−型半導体基板１０の片方の表面側の一部にボロンがドープされたｐ型ベース領域１３が形成され、さらに、Ｐ型ベース領域１３の表層部の一部にリンがドープされたｎ型エミッタ領域１４が形成されている。半導体基板１０の他方の表面（裏面）側の表層部にボロンがドープされたｐ＋型のコレクタ層１２が形成されている。コレクタ層１２よりも深い領域に、コレクタ層１２に接するようにリンがドープされたｎ型のバッファ層１１が形成されている。図中、２１はコレクタ電極、２２はエミッタ電極、２４はゲート酸化膜、２３はゲート電極である。
図４（ｂ）は、図４（ａ）に示された半導体基板１０の上下を反転させた状態の断面図を示すものであり、コレクタ層１２側からレーザ光を照射して活性化が行われる。以下、本発明による半導体製造方法について説明する。
【００２１】
レーザ光照射装置におけるレーザ光発振器において、４００ｎｍ以上、１０００ｎｍ以下の波長のレーザ光を発振させ、レーザ光照射装置に含まれる増幅器によってレーザ光のパルス幅を１０００ｎ秒以上とする。本発明では、単結晶・アモルファスのシリコンの吸収係数が共に比較的低い、波長５００ｎｍ〜６００ｎｍ程度のレーザ光を使用するのが望ましい。
レーザ光は、光学系を通して、上記半導体基板１０に照射する。この際に、レーザ光のエネルギー密度は、１回目の照射と２回目の照射とでは異なるものとする。１回目は、レーザを照射する側の半導体基板１０の表層が溶融する直前のエネルギー密度とする。また、２回目は１回目よりも高いエネルギー密度とし、表面が溶融する直前のエネルギー密度とする。
【００２２】
１回目のレーザ光の照射に際しては、表層側、すなわちコレクタ層１２側が効果的に加熱され、活性化がされて結晶化も進行する。この際には、表層側が溶融しないエネルギー密度でかつ、尖頭値の低いレーザ光が照射されており、溶融による表面凹凸が抑制される。表層側が結晶化された後、エネルギー密度を高めるとともに、表層側が溶融しないエネルギー密度でレーザ光を照射する。結晶化された表層側は融点が上昇しており、レーザ光照射による溶融、表面凹凸の形成が抑制される。エネルギー密度が高められたレーザ光は、結晶化した表層側での吸収率が低いため、容易に内層側、すなわちバッファ層１１側に透過し、アモルファス状態にある内層側で吸収される。これにより内層側が効果的に活性化され結晶化が進行する。
【００２３】
なお、この実施形態では、レーザ光を照射する対象として半導体基板１０を説明したが、当該構成の半導体に限定をされるものではなく、ｐ型領域、ｎ型領域が深さ方向に連続して存在し、よって、より深い位置にまで活性化が必要とされる半導体に適用することができる。したがって、表層側にはｐ型領域、ｎ型領域のいずれが存在するものであってもよい。また、不純物が異なる層が連続するものであってもよく、この場合、不純物が異なるとは、不純物の種類が異なるものの他、濃度が異なるものの含まれる。さらに、単一層に対し、本発明を適用することも可能である。
また、上記実施形態では、２回のレーザ光照射を行うものとして説明したが、本発明としては３回以上でレーザ光照射を行うことも可能である。
【実施例１】
【００２４】
以下に、本発明の実施例について説明する。
前記実施形態で説明した半導体基板１０の裏面のコレクタ層１２に、パルス幅１２００ｎ秒、波長が５００ｎｍ〜６００ｎｍ程度のＹＡＧレーザの２倍波を照射した。この際に短軸のオーバーラップは８０％とした。レーザ光を照射する面が溶融するエネルギー密度が約２．７Ｊ／ｃｍ２であれば、１回目の照射のエネルギー密度を５〜１０％程度低い２．５Ｊ／ｃｍ２とする。その後、２回目の照射を行うが、このときのレーザの波長、パルス幅、オーバーラップは１回目と同じ条件とする。１回目の照射により、半導体基板のレーザ照射面のシリコンはアモルファスから結晶に近づき、融点が上昇するので、投入するエネルギーを高めることができる。表面が溶融するエネルギー密度が３．２Ｊ／ｃｍ２であれば、３．０Ｊ／ｃｍ２とする。
【００２５】
図５に、エネルギー密度を２．５Ｊ／ｃｍ２として１度目のレーザ光照射を行い、その後、２度目のレーザ光照射を行い、そのときのエネルギー密度の変化に対する活性深さの変化を示す。ここでの活性深さとは、半導体基板のバックグランドからキャリア濃度が１０％程度高い深さとしている。１回目の照射では、活性深さは約０．５μｍであったが、エネルギー密度を１回目と同じく２．５Ｊ／ｃｍ２として照射を行った場合、１回目よりも深い領域まで活性化していることが分かる。さらに２回目のエネルギー密度を１回目よりも高い３．０Ｊ／ｃｍ２とした場合、１．０μｍ程度の深さまで活性化できた。
【００２６】
図６には、レーザ光照射によるｎ層の活性化率を示す。
活性化率は、半導体基板に注入された不純物の総量に対して、活性化された不純物の総量の比を示すものである。この実施例のｎ層では、注入されたリンの総量に対する活性化されたリンの総量の比を示す。また、活性化されたリンの総量は、ボロンとリンとの界面と、図５に示す活性深さの間の層中に存在する活性化したリンの総量とする。
【００２７】
エネルギー密度を２．５Ｊ／ｃｍ２とした１回目のレーザ光照射では、活性化率は約１５％程度である。これは、照射により活性化した領域がｐ層とｎ層の界面付近にあたり、ｎ層のキャリアとなるリンがほとんど存在していないためである。しかし、２回目の照射のエネルギー密度を３．０Ｊ／ｃｍ２とした場合、深い領域まで活性化されているので、活性化率も高くなり、約８０％近くなる。一方、２回目も同じエネルギー密度でレーザ光を照射すると、活性化率は僅かに上がる程度である。すなわち、この方法を用いれば、活性させる深さを任意に制御することが可能である。
【図面の簡単な説明】
【００２８】
【図１】同一エネルギー密度でパルス幅の異なるレーザ光を照射した際の、半導体表層部での温度プロファイルを示すグラフである。
【図２】パルス幅およびエネルギー密度の異なるレーザ光を照射した際の、半導体表層部が到達温度約１６５０°Ｋとなる温度プロファイルを示すグラフである。
【図３】アモルファスシリコン（ａ−Ｓｉ）及び単結晶シリコン（ｃ−Ｓｉ）の光吸収係数の波長依存性を示すグラフである。
【図４】本発明の一実施形態におけるＩＧＢＴの断面構造を示す図である。
【図５】同じく、実施例におけるレーザ光のエネルギー密度と活性深さの関係を示す図である。
【図６】同じく、実施例におけるレーザ光のエネルギー密度と活性化率の関係を示す図である。
【符号の説明】
【００２９】
１０  半導体基板
１１  バッファ層
１２  コレクタ層
【図１】
0005299950.tif 000002
【図２】
0005299950.tif 000003
【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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